INFORMATICA GRAFICA – SSD ING-INF/05
Sistemi di elaborazione delle informazioni
a.a. 2007/2008
Docente :
Giorgio Scorzelli e Michele Vicentino
Laboratorio : Giorgio Scorzelli e Michele Vicentino
Indirizzi
 Giorgio Scorzelli:
 DIA: laboratorio PLM (secondo piano)
 Email: [email protected]
 URL: http://www.dia.uniroma3.it/~scorzell

Ricevimento studenti:
 Appuntamento “fisso”: lunedi dopo lezione
 Appuntamenti “variabili”: dopo lezione in laboratorio
 Miglior modo per contattarmi: email!
Obiettivi del corso
 Progettazione e realizzazione di applicazioni
interattive di grafica tridimensionale (3D)
 Semplici strutture dati e algoritmi per la
modellazione geometrica e la visualizzazione di
scene 3D
 Strumenti per realizzare sistemi grafici basati su
OpenGL e GLUT in ambiente Linux / Windows
/MacOsX
Prerequisiti
 Programmazione
 C (C++?), strutture dati elementari
 Linguaggi di programmazione
 Programmazione OO ?
 Interfacce utente
 Programmazione ad eventi, costruzione di interfacce
grafiche
 Geometria:
 Rette, piani, vettori, sistemi lineari e matrici
Programma

4 lezioni a settimana orario 14.00/15.30. Tutti i giorni escluso
mercoledi

Da giovedi

Le lezioni sono sospese dal 20-03-2008 al 25-03-2008

Esami:
 unico 22/4/2008 14:00 N10, N11 - 3
 unico 16/7/2008 09:00 N1 - 5
 unico 10/9/2008 14:00 N1 - 6

50% delle lezioni su argomenti teorici dell’informatica grafica, libro
“Informatica Grafica e CAD” Ed Hoepli, Autore Prof. A.Paoluzzi:





18/2/2008 e termina il 5/4/2008
(25%) Cap
(25%) Cap
(25%) Cap
(25%) Cap
+ Altro....
3.
4.
5.
6.
Trasformazioni affini
Primitive e strutture gerarchiche
Pipeline grafica
Rendering grafico
Programma

50 % su argomenti “pratici”, con:




studio di codice sorgente
realizzazione di un progetto significativo su argomento a scelta
(da concordare)
Utilizzo SW disponibile in rete (compilatori, 3dApi, toolkit etc)
Tabella dei contenuti :






OpenGL e GLUT
PovRay (forse)
PLY Tools, Standford Mesh
Isosurfaces (forse)
Binary space partitioning
Volume Rendering (forse)
Testi
 Informatica grafica e CAD, Alberto Paoluzzi Ed. HOEPLI
Informatica ISBN 88-203-3276-0
 Giorgio Scorzelli, Copia delle lezioni (disponibili in rete su
www.dia.uniroma3.it/~scorzell/

Vostri appunti
Approfondimento:




Foley, van Dam, Feiner, Hughes, Computer Graphics
Principles and Practice (Second edition in C), 1996, Addison
Wesley, 1175 pages.
Qualunque manuale di C (C++)
The OpenGL Red Book disponibile gratuitamente ONLINE
Altro materiale sul sito
Pagina Web del corso
www.dia.uniroma3.it/~scorzell/
Riunisce tutte le informazioni ed il
materiale inerenti il corso,
inclusi link utili ad altro
materiale su web
Sulla pagina del sito trovate TUTTE
le informazioni dell’ultimo
minuto (es. modifiche al
calendario delle lezioni e/o
esami; modalità di
presentazione dei progetti etc)
In preparazione!
Esame

Progetto da completare durante il corso:





Progetto OpenGL
Peso sulla valutazione finale 1/3
Esempi
2007
Esame scritto:




Esempi del 2005
Prova in laboratorio:



In gruppi di 2/3 persone (anche singoli) dovrà essere sviluppato un SW
COMPLESSO inerente gli argomenti affrontati nelle esercitazioni.
Parte del lavoro a casa, parte del lavoro in laboratorio
Alla consegna (in laboratorio!) sarà discusso insieme il progetto, richieste
modifiche che potrebbero essere fatte direttamente in laboratorio sotto la
mia supervisione
Peso sulla valutazione finale 1/3
Principi generali visti a lezione
Eventuali esercizi pratici (piccoli pezzi di programma, anche PLaSM)
Peso sulla valutazione finale 1/3
Esame orale:

Se e’ necessaria una integrazione si puo’ procedere ad un esame orale che
puo’ migliorare (o peggiorare!) il voto finale
Risposte a FAQ
Dove mi procuro il software per le esercitazioni?
Tutto il software e’ disponibile gratuitamente su Web. In alternativa si
possono usare (se si hanno) software commerciali (es Microsoft Visual
Studio)
Quale e’ l’ambiente di sviluppo preferito?
Si deve essere in grado di compilare i programmi sotto sistema operativo
Linux o MacOsX, di creare un Makefile per la compilazione, di
utilizzare Gcc etc
Posso fare le prove pratiche in un linguaggio diverso da C/C++ e
con API diversa da OpenGL/Glut
No. Si devono usare tutte queste risorse e nessun altra non esplicitamente
proposta nell’ambito del corso.
Non posso seguire le lezioni (esami indietro, lavoro etc). Cosa
posso fare?
Meglio sempre seguire perche’ il lavoro e’ semplificato. Venite da me e
fatelo presente.
Risposte a FAQ
Ho fatto un programma e non funziona. Come
mai?
Quando qualcosa non funziona siate precisi.
Cosa fallisce ? compilazione, linking, esecuzione ?
Usate il debugger
Provate a lavorare in gruppi per aiutarvi
Se il problema persiste venite in orario di ricevimento
con la spiegazione chiara del problema
Informatica grafica
 Definizione: con il termine grafica al calcolatore
intendiamo l’uso di un calcolatore per produrre una
immagine (o una sequenza di immagini)
 La definizione e’ incompleta e vaga
 Gli argomenti che rientrano in questa definizione
sono troppi
 Serve delineare meglio i confini….
Storia
 1960, William Fetter introdusse il
termine “Computer Graphics” per
descrivere la ricerca che stava
conducento alla Boeing: insieme di
strumenti, tools, conoscenze,
tecnologie, documenti etc che
permettano la trasmissione di
informazioni in modo accurato e
descrittivo.
 1963, Ivan Sutherland con la sua
tesi di dottorato introduce il
concetto di “Computer Graphics”
interattiva: sketchpad e’ un
sistema input/ouput che
rappresenta “processi” con
immagini
Storia
 1977: specifica del primo sistema per la grafica 2D
(Core Graphic System)
 1984: prima API industriale proprietaria della Silicon
Graphics per grafica 3D (Graphics Library – GL)
 1985: primo standard ufficiale di un’API per grafica 2D
(Graphical Kernel System – GKS)
 1988: primo standard ufficiale di un’API per la grafica
3D (PHIGS)
 1992: standard che integra PHIGS con il windows
management system X (PEX)
Storia
 Le prime API standard (Core, GKS, PHIGS, PEX) avevano
l’ambizione di essere completamente indipendenti
dall’architettura hw sottostante:

scelta inefficiente
 Le API proprietarie al contrario sono ancorate ad una
piattaforma hw/sw specifica (GL, Direct3D(X)):

scelta limitativa
 OpenGL prevede un modello di architettura hw di
riferimento (framebuffer) ma ha l’obiettivo di poter
essere implementato su qualunque piattaforma hw/sw
che rispetti tale modello (in pratica tutte quelle
esistenti):

scelta vincente, ma programmazione di basso livello
Storia
 Le API di più alto livello assumono pure lo stesso
modello di architettura hw ma tentano di portare
l’interfaccia di programmazione ad un livello più
astratto (OpenInventor, Java3D, VRML):
 ancora problemi di efficienza
 Nuove API sono ancora di basso livello che
estendono le proprie funzionalità per sfruttare al
meglio le caratteristiche delle più moderne schede
grafiche (GPU):
 attualmente i riferimenti sono le estensioni di OpenGL
e di DirectX che supportano la programmazione della
GPU
Dimensione, 2d, 3d, Nd
La prima grande divisione in computer graphics e’
di tipo dimensionale:

Grafica 2d: in questa categoria rientra la
grafica che fa uso di due dimensioni,
tipicamente lo spazio bidimensionale dello
schermo. E’ la piu’ semplice in quanto esiste
una corrispondenza biunivoca tra lo spazio da
rappresentare e lo spazio fisico dello schermo.

Grafica 3d: si costruisce un modello
tridimensionale e lo si proietta sullo spazio
bidimensionale dello schermo. Le operazioni
sono complicate dalle proiezioni.

Grafica Nd: sia il caso di coordinate
geometriche come vettori a dimensione
arbitraria, sia il caso di punti 3d arricchiti con
informazioni aggiuntive (colore, materiale etc).
Es. il tempo come quarta dimensione?
Fotorealismo vs Non Fotorealismo

Un’immagine al calcolatore, a seconda dell’uso, deve sembrare
reale (come se fosse una immagina scattata con una macchina
fotografica), oppure risultare semplificata ed artificiale;

Se lo scopo dell’immagine è trasmettere informazione, questo
potrebbe essere raggiunto più efficacemente da una immagine
semplificata.

Gli algoritmi per ottenere immagini fotorealistiche (ray-tracing,
radiosity, misti, etc) sono computazionalmente onerosi.

Per le immagini non-fotorealistiche si possono ottenere buoni
risultati con algoritmi semplici e veloci.

Esistono però applicazioni che richiedono immagini non
fotorealistiche, ma comunque onerose in termini di algoritmi e di
tempo: un esempio è dato dai cartoni animati.

Non esiste comunque un confine netto tra fotorealismo ed
artificiale; quello che può sembrare sufficientemente fotorealistico
in una applicazione può risultare troppo artificiale in un’altra.
Fotorealismo vs Non Fotorealismo
Interattività vs Non Interattività

La grafica generata con un calcolatore può o meno essere
interattiva, ovvero può o meno permettere ad un operatore
esterno di interagire in tempo reale con uno qualsiasi (o tutti) dei
parametri della rappresentazione grafica

Nel caso di grafica interattiva si richiede una risposta in tempo
reale ai comandi dell’operatore; questo implica

necessità di hardware particolari (schede grafiche acceleratrici,
processori potenti,molta memoria)

un modello semplificato di resa grafica (in genere le
applicazioni interattive non sono fotorealistiche)

Con la grafica non interattiva si possono raggiungere qualità
dell’immagine elevate a piacere, è solo questione di quanto tempo
si è disposti ad aspettare per generarle

Entrambi i tipi di grafica sono interessanti ed hanno diverse
applicazioni, a volte complementari;
Interattività vs Non Interattività
Modello fisico vs Trucchi
 Nel caso di immagini fotorealistiche esiste un altro bivio:
l’immagine può risultare “vera” perchè ottenuta con
algoritmi realistici di interazione materiali-luce, oppure
perchè ottenuta ad arte con vari trucchi ...
 Senza generalizzare troppo, possiamo dire che più
l’interattività risulta importante in una applicazione, più
tale applicazione deve discostarsi dalla realtà ed
applicare trucchi di apparenza
 Negli ultimi anni questo discorso sta diventando sempre
più debole a causa dell’enorme avanzamento in termini
di hardware.
Schema di una applicazione grafica
In genere le applicazioni grafiche di cui discuteremo (e che
implementeremo) si possono inquadrare, piu’ o meno, nel seguente
schema:

Vi è una descrizione di qualche tipo (procedurale o meno) del mondo
che deve essere rappresentato.

La produzione di tale descrizione (modello) prende il nome di
modellazione.

Da tale descrizione si ottiene una immagine bidimensionale; tale
processo è chiamato globalmente rendering

La sequenza di procedure ed algoritmi che implementano il rendering
prende il nome di pipeline grafica; la studieremo nel dettaglio nel
seguito

L’immagine ottenuta viene quindi visualizzata sullo schermo (in
applicazioni interattive, per esempio) o salvata su file
Schema di una applicazione grafica
La descrizione del mondo che viene utilizzata dalla pipeline grafica
comprende in genere tre elementi:
1. Gli oggetti che popolano il mondo; possono essere oggetti veri e propri
(cubi, robot, mele..) oppure dati (punti nello spazio 3D, iso-superfici
..). Gli oggetti hanno proprietà posizionali (dove sono, come sono
orientati etc) e di apparenza (di che colore, com’è fatta la superficie,
se sono riflettenti etc)
2. Le luci che determinano le proprietà di illuminazione del mondo; hanno
anch’esse proprietà posizionali, ma non di apparenza (tipicamente le
luci non si vedono, al più si vedono degli oggetti che rappresentano
l’emettitore di luce).
3. L’osservatore che descrive gli algoritmi
che servono a generare una immagine 2D
(lo schermo) dalla descrizione 3D del
mondo, ovvero implementa una
telecamera virtuale; anch’esso possiede
proprietà posizionali, ma non di apparenza
Processo di modellazione
Il modello di un oggetto da rappresentare può essere ottenuto essenzialmente in tre
modi:

Manuale, ovvero viene “disegnato” tramite un opportuno strumento grafico. In
genere si ottengono oggetti complessi assemblando assieme oggetti semplici; es
sfera, questa spesso viene disegnata tramite il mouse, selezionando il centro e
trascinando il puntatore fino ad ottenere il raggio desiderato.

Automatica da strumenti che consentono l’acquisizione di un modello digitale di
un oggetto reale. Per esempio le tecniche basate sulle immagini dell’oggetto sono
molto studiate in Visione Computazionale, ed ultimamente anche in grafica.
Spesso vengono indicare come Image based modeling

Procedurale, ovvero viene generato tramite una procedura opportuna. Un
esempio tipico sono gli oggetti frattali, che hanno varie applicazioni nella grafica
al calcolatore, o gli oggetti geometrici, come sfere, cubi, poliedri regolari o altro.
Ad esempio una sfera è ottenuta specificando il raggio e la posizione del centro,
poi ci pensa una procedura basata sull’equazione analitica della sfera a
disegnarla.
Le tecniche si possono mescolare tra di loro.
Processo di modellazione
3d modeler
3d scanners
PLaSM!
Processo di rendering
In base a tutte queste informazioni, dobbiamo effettuare un certo numero di
passi per ottenere l’immagine desiderata:

Proiezione: proiettare (geometricamente) la scena dallo spazio 3D allo
spazio 2D dello schermo della telecamera virtuale.

Shading: per ogni punto dell’immagine dobbiamo determinare il suo
colore, che è funzione del colore della superficie dell’oggetto e della sua
orientazione, della posizione delle luci e (nei modelli cosiddetti “globali”)
della riflessione indiretta della luce da parte di altre superfici.

Rimozione delle superfici nascoste: gli elementi più vicini alla
telecamera coprono quelli più lontani: dobbiamo determinare quali superfici
sono visibili e quali no.

Rasterizzazione: quando sappiamo che colore assegnare a ciascun punto
della immagine, il passo finale è mappare questa informazione sul display
(ovvero: accendere i pixel).
Modellazione vs Rendering
In un immagine generata al calcolatore (3D o 2D, interattiva o
meno) concorrono essenzialmente due elementi:

I modelli geometrici degli oggetti (o dati) rappresentati

Le loro caratteristiche di colore, ombreggiatura, tessitura, etc.;
queste ultime vanno sotto il nome di shading

Alle volte è praticamente impossibile ottenere un modello di
un oggetto con i dettagli desiderati; in tal caso si aggiungono i
dettagli nella fase di rendering (alterando lo shading).

In genere è uno spreco di risorse costruire un modello
complicato quando è possibile ottenere lo stesso effetto con un
modello semplice ed un suo opportuno shading.
Shading
Add
Lines
Add colors
Distance falloff
“Real world”
shading
Esempi avanzati
 http:// www.siggraph.org
 http://graphics.stanford.edu/ Stanford University
(California)
 http://www.ices.utexas.edu/, THE INSTITUTE FOR
COMPUTATIONAL ENGINEERING (Texas)
 http://www.sci.utah.edu/ Scientific computing and
imaging institute (Utah)
Elementi hardware
Gli elementi hardware principali in una applicazione grafica moderna:

Raster display che consiste di una matrice di elementi denominati pixel i
quali possono illuminarsi se colpiti da un fascio di elettroni (molto simile al
funzionamento di un televisore). Le caratteristiche principali (non le uniche)
sono la risoluzione, ovvero le dimensioni della matrice di pixel, e la
profondità di colore, ovvero quanti bit di memoria sono associati ad ogni
pixel per contenere l’informazione di colore. 8-bit significano 256 colori,
mentre 24-bit (o truecolor) rappresentano all’incirca 32 milioni di colori

Frame buffer che è una parte di memoria contenente l’immagine, ovvero
un array di valori per i pixel, che viene modificata direttamente dal
programma di grafica

video controller il quale legge il frame buffer e costruisce l’immagine sul
display.

display processor (o graphics controller) è un elemento opzionale, in
genere contenuto in schede grafiche dedicate, il quale fornisce sia la
memoria per contenere il frame buffer (liberando cos`ı la memoria
principale del calcolatore) sia effettuando una serie dei operazioni grafiche e
liberando cos`ı la CPU principale da tali incombenze. La principale delle
quali consiste nella digitalizzazione della immagine tramite un processo
denominato scan conversion.
Elementi hardware
Gli strumenti software della grafica al calcolatore

Librerie grafiche: le più diffuse sono le OpenGL (Silicon
Graphics, Inc,) e le DirectX (Microsoft). Ad un livello più elevato di
OpenGL si colloca Performer (SGI), un toolkit per sviluppare
simulazioni video in tempo reale, realtà virtuale, intrattenimento
interattivo ed altre applicazioni di grafica 3D ad altre prestazioni.

Programmi di rendering: in genere producono immagini
fotorealistiche da una descrizione procedurale del mondo
(tipicamente un file ASCII). I più diffusi programmi freeware sono
PovRay, Rayshade e BMRT.

Strumenti di modellazione: sono strumenti professionali, in
genere molto costosi, i quali permettono di costruire in modo
interattivo modelli 3D da usarsi in applicazioni di grafica al
calcolatore.

Suite di strumenti integrati: questi pacchetti includono in
genere un programma di modellazione ed uno o più programmi
integrati di rendering. Tra i più diffusi vi sono 3D Studio MAX,
LightWave, TrueSpace, Maya e Blender, una suite gratuita,
multipiattaforma e piuttosto potente
Applicazioni

Negli ultimi anni stiamo assistendo ad un balzo in avanti per quanto
riguarda la velocità dei processori, la disponibilità di memoria e
l’immissione sul mercato di schede grafiche accelerate a basso prezzo.

Questi fattori hanno determinato un vero e proprio boom della grafica
al calcolatore ed in 10 anni si è passati da risoluzioni dell’ordine dei
320x240 pixel con 16 colori a risoluzioni di più di 1024x1024 pixel a 32
milioni di colori (anche di piu’: FULL HD 1920 x 1080 pixel) .

Mentre una volta le applicazioni di grafica avanzata erano esclusivo
appannaggio di enti di ricerca (purtroppo spesso per uso militare), oggi
la grafica computerizzata è presente in tutte le applicazioni (o quasi)
disponibili per computer anche di bassa fascia.

Vediamo ora una carrellata di alcune possibili applicazioni della grafica
al calcolatore; su alcune torneremo più diffusamente nel seguito
Applicazioni: Interfacce grafiche

Interfacce utente: Interazione con l’elaboratore dominata da un paradigma
che includa finestre, icone, bottoni, cursori, oggetti vari, ……

Fino al 1983/84 (primi sistemi Apple Lisa e Mac) tutte le interfacce utente
erano esclusivamente “command line”. Tutti gli elementi che compongono
un’interfaccia grafica devono essere “disegnati” quindi necessitano di
software grafico (2D).
possibili impieghi di interfacce uomo-macchina grafiche:

Internet, sia per catturare l’attenzione di chi naviga un sito web, sia per
permettere una miglior interazione con le informazioni ed i dati contenuti
nella rete (menu a scomparsa, bottoni, rollover etc.)

Realtà Virtuale e Realtà Aumentata, permette ad un operatore di
immergersi completamente, o in parte, nell’applicazione, interagendo con i
dati e le informazioni in modo più naturale. è una tecnica ancora costosa e
non ancora disponibile su larga scala.

Controlli di apparecchiature o veicoli, dove un operatore utilizza un
interfaccia grafica per accedere alle funzionalità di un apparecchiatura
sofisticata o di un veicolo, sia in lettura dati che in immissione comandi; un
esempio è dato dalle glass cockpit, che sono delle rappresentazioni
grafiche della strumentazione di bordo di un aereo e che stanno sostituendo
i più tradizionali strumenti di volo.
Applicazioni: sistemi CAD
CAD (Computer Aided Design), per la
costruzione di disegni tecnici (2D e 3D);
l’interfaccia grafica deve sopperire all’uso più
intuitivo delle mani e fornire funzionalità
migliori
Progettazione a produzione:





Progettazione assistita da elaboratore (CAD)
Parti meccaniche
Architettura
Oggetti di design
praticamente tutti gli oggetti di fabbricazione industriale……
Manifattura assistita da elaboratore (CAM)


Macchine a controllo numerico (NC)
Catene di montaggio robotizzate
Applicazioni: Visualizzazione scientifica
 Uno dei settori di applicazione piu’ interessanti!
 E’ l’incontro tra la grafica al calcolatore e l’analisi di dati
scientifici
 L’uso della grafica permette una comprensione maggiore
dei dati
 Tra i possibili usi della visualizzazione scientifica:
immagini mediche, plot matematici, dati sperientali,
risultati di simulazioni, etc...
 Un parente della Visualizzazione Scientifica: si occupa di
dati astratti e non immediatamente visualizzabili senza
l’introduzione di una opportuna metafora visuale (es.
visualizzare un log file)
Applicazioni: Esempio di visualizzazione scientifica
 Visible Human Project®
 It is the creation of complete, anatomically detailed,
three-dimensional representations of the normal male
and female human bodies
 Acquisition of transverse CT, MR and cryosection images
of representative male and female cadavers has been
completed.
 The long-term goal of the Visible Human Project is to
produce a system of knowledge structures that will
transparently link visual knowledge forms to symbolic
knowledge formats such as the names of body parts
 Cryosections done at 0.174mm intervals and
photographed at a resolution of 1056 x 1528 pixels
Applicazioni: Visualizzazione scientifica
Applicazioni: Modellazione progressiva
Run tower
Applicazioni: modellazione progressiva
Applicazioni: modellazione progressiva
Terrain demo
Applicazioni: uso artistico
Le immagini sono da sempre utilizzate per catturare
l’attenzione e per esprimere sentimenti, senzazioni,
emozioni. La grafica al calcolatore non fa eccezione ed è
di particolare effetto per:
 Computer Art, utilizzata per esprimere stati d’animo
 Pubblicità, per catturare l’attenzione con immagini di
effetto difficilmente ottenibili in altro modo
 Film, sia che venga usata semplicemente per gli effetti
speciali (la maggior parte dei casi), sia che venga
utilizzata per la realizzazione in toto del film (alcuni casi
notevoli, sempre più frequenti)
Applicazioni: uso artistico
Applicazioni: videogiochi

Nonostante possa sembrare il contrario, si tratta di un campo di ricerca
estremamente serio (e complesso);

molti algoritmi della grafica moderna sono nati dalle esigenze dei
programmatori di videogiochi.

Il fiorire di computer sempre più potenti e di schede grafiche accelerate
disponibili a basso prezzo sono largamente legati all’industria
videoludica.
Alcuni elementi di punta dei videogiochi moderni:






3D
grafica in tempo reale
implementano una interfaccia utente complessa
implementano algoritmi di grafica di punta (ombre, strutture dati
gerarchiche, effetti di luce, sistemi di particelle, raytracing, radiosity etc)
necessitano di schede grafiche accelerate
spesso presentano filmati (o scene singole) estremamente fotorealistici
Applicazioni: videogiochi
Esempio ATI
Applicazioni: simulazione
Simulazione:
 Nasce dalla possibilità dei moderni sistemi CG di
generare immagini realistiche in tempo reale
 Esempi (spesso in abbinamento con dispositivi I/O
specializzati – Realtà virtuale):






Volo
Guida e teleguida di veicoli speciali
Operazioni mediche e chirurgiche
Catastrofi naturali (terremoti, inondazioni, esplosioni,
crolli, …)
Operazioni di destrezza in ambiente ostile
Applicazioni: simulazione